آنالیز NMR

آنالیز NMR

آنالیز رزونانس مغناطیسی هسته NMR

آنالیز NMR یا طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ و یا اسپکتروفتومتر رزونانس مغناطیسی هسته، روشی کارآمد برای بررسی خواص شیمیایی و فیزیکی مولکول های آلی در ترکیب مورد نظر است که بر مبنای خواص حاصله از برخی اتم های خاص بنا شده است.

آنالیز NMR نسبت به روش آنالیز FTIR از اهمیت بالاتری برخوردار است. در حالی که FTIR اطلاعاتی در خصوص نوع گروه های عاملی موجود در مولکول در اختیار می گذارد، آنالیز NMR ما را از تعداد هر نوع هیدروژن مطلع می سازد. همچنین  این روش اطلاعاتی راجع به طبیعت محیط اطراف این گونه اتم های هیدروژن به دست می دهد. آنالیز NMR یک آنالیز برای بررسی پیوند‌ها و یا گروه‌های عاملی در یک نمونه به ویژه نمونه‌های پلیمری، آلی و یا زیستی است. کاربردهای آنالیز NMR، شناسایی ساختار مولکول ها، مشخص نمودن گروه های عاملی، بررسی رفتار ماکرومولکولهای زیستی، مطالعه نمونه های نفتی، دارویی و غذایی است.

مبانی آنالیز NMR

این آنالیز بر پایه رفتار مغناطیسی هسته اتم‌ها و پوسته الکترونی دور هسته اتم‌ها کار می‌کند. هر پروتون و یا نوترون دارای یک جهت مغناطیسی است که اگر راستای این میدان مغناطیسی به سمت بالا (قرار دادی) باشد، این ذره دارای اسپین مغناطیسی ۱/۲ است و اگر به سمت پایین باشد اسپین مغناطیسی آن منفی ۱/۲ است. هسته اتم‌هایی مانند هیدروژن که یک پروتون (یا مجموع پروتن و نوترون فرد باشد) در هسته آن وجود دارد، هسته دارای اسپین مغناطیسی ۱/۲ یا منفی ۱/۲ است.

در میدان مغناطیسی خارجی صفر (عدم وجود میدان)، انرژی بین حالت ۱/۲ با منفی ۱/۲ برابر است از این رو برای اتم فرقی نمی‌کند در کدام حالت باشد ولی در حضور میدان مغناطیسی خارجی هسته دوست دارد در راستای میدان جهت گیری کند و هسته‌هایی که جهت مغناطیسی مخالف جهت میدان دارند دارای انرژی بیشتری هستند. از این رو برای تغییر حالت اسپین از مثبت ۱/۲ به منفی ۱/۲ انرژی مشخصی لازم است که این انرژی برابر با اختلاف حالت بین این دو اسپین است و با استفاده از رابطه E=hν می‌توان این انرژی را به طول فرکانس تبدیل کرد.

در آزمون NMR زمانی که نمونه در معرض میدان خارجی قوی قرار می‌گیرد، اختلاف انرژی اسپین مغناطیسی هسته بین حالت ۱/۲ و منفی ۱/۲ مقدار قابل توجهی می‌شود و ماده با جذب انرژی می‌تواند از حالت اسپینی با انرژی کمتر به اسپینی با انرژی بیشتر تغییر حالت بدهد و انرژی جذب کند. به بیان دیگر از یک جهت گیری با انرژی پایین تر به یک جهت گیری با انرژی بالاتر برانگیخته برانگیخته می شوند. از آن‌جایی که در این حالت اتم سطح انرژی بالاتری دارد، برای رسیدن به سطح انرژی کمتر باید جهت اسپین به حالت کم انرژی برگردد و انرژی جذب شده توسط هسته به صورت امواج رادیویی آزاد می‌شود.

فرکانس این موج رادیویی برای اتم‌های مختلف و برای یک اتم با پیوندهای مختلف متفاوت است. هسته اتم به وسیله الکترون‌ها محاصره شده‌اند و حرکت الکترون‌ها نیز مانند هسته اتم دارای اسپین و جهت گیری مغناطیسی هستند از این رو در حضور میدان مغناطیسی خارجی الکترون‌ها جوری جهت گیری می‌کنند که میدان مغناطیسی خارجی را خنثی کنند از این رو میدان مغناطیسی‌ای که توسط هسته احساس می‌شود کمتر از میدان مغناطیسی خارجی است. از این رو شدت میدان مغناطیسی‌ای که هسته احساس می‌کند وابسته به چگالی الکترون در اطراف هسته است. هنگامی که هسته انرژی جذب می کند، برانگیخته می شود و سپس با از دست دادن انرژی به حالت پایه باز می گردد. هسته مزبور بار دیگر انرژی تابشی را جذب نموده و مجددا برانگیخته می شود و این چرخه ادامه دارد. بنابراین هسته به طور متناوب برانگیخته و غیربرانگیخته می شود. این هسته را در حالت رزونانس یا تشدید گویند.

این تفاوت در چگالی الکترون در اطراف هسته عامل اصلی در تشخیص پیوند‌های موجود در نمونه است. این تفاوت چگالی الکترون باعث می‌شود اتم‌های یکسان مانند اتم‌های هیدروژن که در قسمت‌های مختلفی از مولکول قرار دارند در فرکانس‌های مختلفی امواج رادیویی را جذب و نشر کنند. در واقع در شیمی تجزیه، روش NMR روشی است که محقق را قادر می سازد تا شکل ساختمان مولکول ها را مطالعه نمایند. به ویژه این روش می تواند انواع هیدروژن های موجود در یک مولکول را مشخص نماید و از آن طریق، ساختمان مولکول مورد نظر به دست می آید. در کاربردی دیگر اگر نوع ترکیبات موجود در نمونه مورد بررسی را بدانیم، با استفاده از این روش می توانیم غلظت ترکیبات را در یک مخلوط را نیز به دست آوریم. بنابراین روش NMR روشی جهت تشخیص کمی و کیفی مواد می باشد و به خصوص در زمینه مواد آلی بسیار کاربردی است.

جابجایی شیمیایی برای هسته سایر اتم ها از رابطه ذیل قابل محاسبه است:

Bs-Br)/Br) = جابجایی شیمیایی

که در آن ‌Bs میدان مغناطیسی که نمونه مورد آزمایش جذب می نماید و Br میدان مغناطیسی است که نمونه مرجع در آن جذب نشان می دهد. محدوده جابجایی شیمیایی گروه های مختلف در شکل زیر برای نمونه هایی که در حلال CDCL3 نشان داده شده است.

نوع حلالی که ماده در آن قرار گرفته تا نمونه آماده شود بر روی میزان جابجایی شیمیایی موثر است. همچنین از طریق طیف NMR و مشاهده شکافت های پیک ها حتی می توان ایزومرهای مختلف یک مولکول را نیز تشخیص داد. نمونه ای از طیف آنالیز NMR در شکل زیر برای دو ترکیب ایزومری ۱و۲- دی کلرواتان (چپ) و ۱و۱- دی کلرواتان (راست) نشان داده شده است.

کاربردهای طیف سنجی NMR:

۱- مطالعه ساختار میکرومولکول های کوچک و ترکیبات آلی موجود در محلول ها.

۲- مطالعه ساختار شیمیایی مواد با استفاده از NMR یک بعدی.

۳- مطالعه ساختار مولکول های بسیار پیچیده با استفاده از NMR حالت جامد.

۴- تعیین ساختار مولکول های مواد جامد با استفاده از NMR حالت جامد.

۵- مطالعه دینامیک و تعیین مکانیسم واکنش ها.

۶- مطالعه مغناطیسی جهت ترکیبات پارامغناطیس.

۷- آنالیز کمی ترکیبات.

۸- مطالعه فیزیولوژی سلول ها و غلظت درون یاخته های سلولی، تصویربرداری و تشخیص پزشکی.

روش انجام آزمون NMR

برای انجام آنالیز NMR لازم است ابتدا نمونه در یک دمای مشخص خشک شود تا رطوبت و یا حلال احتمالی باقی مانده در نمونه از آن خارج شود و سپس نمونه در حلال مخصوص حل شود. حل شدن در حلال الزامی است. حلال های استفاده شده برای حل کردن نمونه نباید دارای هیدروژن باشند به همین دلیل نمونه باید قابلیت حل شدن در یکی از حلال های زیر را داشته باشد:

• CDCL₃
• DMSO-d₆
• D₂O
• Acetone-d₆

در فرمول‌ها D، دوتریوم است و نوع حلال باید توسط متقاضی انتخاب شود. بعد از انحلال نمونه، نمونه در درون دستگاه قرار داده می‌شود تا مورد بررسی قرار گیرد. در این آنالیز امکان بررسی اتم‌های هیدروژن، کربن، فسفر و فلوئور وجود دارد.

تحلیل داده های آنالیز NMR

یک نمودار آنالیز NMR چهار مطلب را بیان می کند:

• تعداد سیگنال های مختلف نشان دهنده تعداد انواع مختلف کربن در ترکیب است.
•  مکان سیگنال ها و یا جابجایی شیمیایی نشان دهنده نوع گروه های عاملی و چگونگی هیبریداسیون است.
• نسبیت مساحت هر پیک به مساحت کل نشان دهنده نسبت فراوانی آن نوع کربن است.
•  تعداد شاخه های هر قله شاخصی برای شمارش تعداد پروتن های همسایه آن کربن است. اگر n هیدروژن غیر یکسان با هیدروژن مورد نظر داشته باشیم و آنها نسبت به یکدیگر یکسان باشند، (n+1) شاخه خواهیم داشت.